Die Rolle von Smart Grid, IoT und Big Data im Bereich der erneuerbaren Energien

Während die Welt immer bewusster mit dem Energieverbrauch und der Energieerzeugung umgeht, nimmt der Anteil der erneuerbaren Energien auf dem Markt kontinuierlich zu. Im April 2019 meldete die U.S. Energy Information Administration, dass erneuerbare Energiequellen die kohlebetriebenen Energiequellen bei der monatlichen Stromerzeugung überholt haben. Mit insgesamt 23 % Ökostromanteil wird die Bedeutung der erneuerbaren Energien für die Branche deutlich und zeigt, dass Energieversorger und Verbraucher von begrenzten und nicht nachhaltigen Ressourcen abrücken.

Zwar haben die erneuerbaren Energiequellen die Fähigkeit, die Marktnachfrage zu decken und unerschöpfliche Energie zu liefern, doch deren Unbeständigkeit erschwert den Betrieb der Infrastruktur und stellt sowohl die Versorgungsunternehmen als auch die Verbraucher vor Herausforderungen. Somit können die kalifornischen Wind- und Kraftwerke in den Sommermonaten einen Überschuss an Energie erzeugen, gefolgt von einer leistungsschwachen Herbst- und Wintersaison. Zur Stabilisierung der Versorgung mit grüner Energie und um erneuerbare Energien zu einer zuverlässigen und zukunftssicheren Ressource zu machen, nutzt die Energiebranche die Smart-Grid-Technologie.

Was ist Smart Grid und wie profitieren die erneuerbaren Energien davon?

Die Architektur herkömmlicher Energieverteilungssysteme ist auf einen unidirektionalen Energiefluss von den Lieferanten zu den Verbrauchern ausgelegt. Mit zahlreichen großen Erzeugungspunkten als einzige Energiequelle war das Stromnetz früher eine einseitige elektrische Verbindungsinfrastruktur zur Übertragung und Verteilung von Energie.

Durch die wachsende Zahl an kleineren Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien steht die Branche vor der Notwendigkeit, eine Vielzahl von zusätzlichen Produktionspunkten in die Infrastruktur zu integrieren. Der klassische Ansatz, bei dem das Stromnetz vom Netzbetreiber verwaltet wird, kann dem neuen Paradigma nicht standhalten und wird durch eine Smart-Grid-Lösung ersetzt, die ein flexibleres Betriebsmanagement ermöglicht.

Gemäß der Definition des Electric Power Research Institute ist ein Smart Grid ein Netz, das Informations- und Kommunikationstechnologie in jeden Aspekt der Stromerzeugung, -lieferung und -nutzung einbezieht, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, Märkte zu fördern, die Zuverlässigkeit und den Service zu verbessern sowie Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern.

Ein Smart Grid ermöglicht die nahtlose Integration uneinheitlicher erneuerbarer Energiequellen und verfügt über die Fähigkeit, den Strom hocheffizient zu verteilen und zu liefern. Eine bedeutende Rolle in diesem neuen Ansatz der Energieverwaltung kommt den Verbrauchern zu, die nun eine aktive Position in einer wechselseitigen Interaktion mit den Versorgungsunternehmen einnehmen. Das Mitwirken der Verbraucher bei der Verbrauchskontrolle trägt zu einem stabileren, berechenbareren und effizienteren Netz bei. Die Umfrage der Smart Energy Consumer Collaborative belegt, dass Endverbraucher durchaus bereit sind, auf ein intelligentes Stromnetz umzusteigen. 61 % der Befragten sind an Programmen interessiert, die ihnen helfen, durch die Nutzung von Haushaltsgeräten zu unterschiedlichen Zeiten des Tages Geld zu sparen.

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Der Erfolg der Integration erneuerbarer Energien in den Energiesektor wird vom Ausmaß der Einführung von Smart Grids abhängen und durch begleitende Technologien wie IoT, intelligente Zähler und Big Data vorangetrieben werden.

Verwaltung nachhaltiger Energie mit einem Smart Grid und dem Internet der Dinge

Kontrolle ist ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz von Systemen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Solar- und Windenergie setzen fortschrittliche Steuerungstechniken für einen leistungsstarken und zuverlässigen Betrieb voraus. Die Einführung eines Smart Grid als Netzwerk, das von digitaler Technologie wie IoT angetrieben wird, liefert Energieversorgern und Verbrauchern effiziente Werkzeuge zur Überwachung und Regulierung der Leistung des Stromnetzes durch die Verwaltung zahlreicher Geräte in Haushalten und an Erzeugungspunkten.

Die Übernahme von Smart-Grid-Geräten kann zum Aufbau einer umfassenden IoT-Infrastruktur beitragen und dabei helfen, die Möglichkeiten eines bedarfsgerechten Systems zu nutzen. Verglichen mit einem herkömmlichen Modell kann sich das Netz bei netzgekoppelten Geräten an Überschüsse oder Stromausfälle anpassen, die bei erneuerbaren Energiequellen üblich sind. Mit intelligenten Technologien können intelligente Geräte mit dem Ressourcenrechner kommunizieren und die erforderlichen Informationen sammeln, um den Energieverbrauch anzupassen und zur Stabilisierung des gesamten Netzes beizutragen.

Fallstudien im Fokus:

Ein Smart Energy Island Projekt ist auf den Isles of Scilly, Großbritannien, in Betrieb gegangen. Mit dem Internet der Dinge und intelligenten Geräten machten sich die Inselbewohner die Möglichkeiten der Solarenergie zunutze und senkten dank der Kontrolle des Energieverbrauchs ihre Stromrechnungen.

Aus Anbietersicht können IoT und Smart Grid eine effiziente Kontrolle der Systeme gewährleisten. So hat sich E. ON mit SSE Enterprise Telecoms zusammengeschlossen, um seine weit entfernten Windparks an das nationale Stromnetz anzuschließen. Mit diesem Projekt hat sich E.ON nicht nur an das groß angelegte Netzwerk angeschlossen, sondern konnte auch die Verfügbarkeit und Leistung jedes seiner Energiestandorte überwachen.

Smart Home-Energieverwaltung

Die intelligente Energieverwaltung zu Hause nutzt die Fähigkeiten der angeschlossenen Geräte und ermöglicht es Verbrauchern und Energieversorgern, ihren Stromverbrauch gemeinsam zu überwachen. Das Hybridized Intelligent Home Renewable Energy-Modell zeigt, wie intelligente Geräte den Energieverbrauch auf die günstigsten Tageszeiten verteilen. Die Studie hat ergeben, dass die Planung des Energieverbrauchs den Verbrauch um 48 % senken und den Anteil an erneuerbarer Energie um bis zu 65 % steigern kann.

Fallstudie im Fokus:

Der deutsche Energieversorger Shine hat für seine Verbraucher ein fortschrittliches Kooperationsmodell entwickelt, das ein hohes Maß an Unabhängigkeit für jeden einzelnen Nutzer ermöglicht. Kunden von Shine können das Heim-Energiesystem ganz einfach verwalten, um die Nutzung der Solarenergie zu optimieren und den Tagesverbrauch zu überwachen. Außerdem können sich die Nutzer mit anderen Nutzern verbinden, um grüne Energie zu teilen.

Intelligente Zähler zur Leistungsüberwachung in Echtzeit

Intelligente Zähler gelten unter den verschiedenen netzgebundenen Geräten als eine der erfolgreichsten Anwendungen der IoT-Technologie. 2019 waren 14 % aller globalen Zähler intelligente Geräte.

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Fallstudie im Fokus:
35 % der Haushalte in Großbritannien verfügen über einen intelligenten Stromzähler, mit dem sie von der neuen  Smart Export Guarantee (SEG) profitieren können. Diese wurde eingeführt, um kleinere Anbieter von erneuerbaren Energien zu unterstützen und die Netzbelastung im Falle einer übermäßigen Energieerzeugung auszugleichen: Die Verbraucher mit intelligenten Zählern werden für die Nutzung überschüssiger Energie bezahlt.

Angesichts der steigenden Zahl von intelligenten Zählern und verwandten Geräten ist die Branche in ihrem täglichen Betrieb auf Daten angewiesen. Doch neben der Echtzeit-Leistungsüberwachung und -steuerung können diese Daten den Anbietern auf der Grundlage riesiger Datenmengen wertvolle Erkenntnisse und datengestützte Entscheidungen liefern.

Erkenntnisgewinn durch Smart Grid und Big Data

Die im Smart Grid-Netzwerk gesammelten Daten müssen gründlich analysiert werden, um Versorgungsunternehmen die notwendigen Informationen zu liefern, mit denen sie ihr Geschäft vorantreiben können. Eine fortschrittliche Messinfrastruktur sammelt Daten zum Verbrauch, zur Stromqualität, zur Selbstdiagnose, zu intelligenten Zählern und zum Betriebsstatus der Geräte.

Zwar können einige der Daten dank Edge Computing und der Einführung von 5G in Echtzeit verarbeitet werden, doch ist Big Data für ein umfassendes Verständnis des Verbraucherverhaltens, der Leistungsmöglichkeiten und der Leistungsverbesserung unerlässlich. Anhand von Datenanalysen können Energieversorger die Optimierung des intelligenten Netzes verbessern und die Kundenbindung erhöhen.

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Big Data und prognostische Analysen sind besonders auf erneuerbare Energiequellen anwendbar. Die Uneinheitlichkeit von nachhaltigem Strom erfordert erhebliche Anstrengungen, um ihn in das homogene brennstoffbasierte Energienetz zu integrieren. Basierend auf den verarbeiteten Daten können Lieferanten fundierte Entscheidungen treffen, Vorhersagen über die Energieerzeugung und den Energieverbrauch treffen und mögliche Risiken reduzieren.

Fallstudie im Fokus:

So bietet kWh Analytics zum Beispiel den Solarinvestoren Heliostats an: eine Plattform für Risikomanagement, die Datenintegration und -analyse bietet. Wie erwartet, kann diese Plattform einen intelligenteren Ansatz für Investitionen in erneuerbare Energien bieten.

Mit einer umfassenden Datenanalyse haben Versorgungsunternehmen die Möglichkeit, die Effizienz des Netzes auf der Grundlage von Echtzeit-Verbrauchsdaten oder zuvor erfassten relevanten Informationen zu verbessern. So können etwa historische Wetter- und GPS-Daten genutzt werden, um die Vorhersage der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu verbessern. Parallel dazu ermöglicht die laufende Überwachung der Systeme die Behebung aktueller Probleme und die Verbesserung der Energieerzeugung und -verteilung.

Fallstudie im Fokus:

Ein Smart-Grid-Projekt des Texas Advanced Computing Center konnte sein Verständnis von nachhaltiger Energie mit den intelligenten Analysen von Intel verbessern. Eine kombinierte Verarbeitung von Daten aus dem wirklichen Leben und Big Data liefert wertvolle Erkenntnisse über den Energieverbrauch für die Anbieter und die Nutzer.

Ein weiterer bedeutender Vorteil der Einführung von Big Data bei den erneuerbaren Energien ist die vorausschauende Wartung. Bei einem erzwungenen Ausfall kann sich das Gleichgewicht des Netzes weiter verschieben und es werden zusätzliche Ressourcen benötigt, um die Nachfrage zu decken. Über ein Netzwerk von Sensoren, intelligenten Zählern und an das Netz angeschlossenen Geräten kann der Versorger eine Vielzahl von Informationen zur Minimierung unerwünschter Folgen erhalten. Durch die Einführung eines Smart Grid können Fehler im Verteilungssystem dank datengestützter Automatisierung isoliert werden. Infolgedessen wird die Störung beseitigt, die Wiederherstellungszeit verkürzt und die Kundenzufriedenheit verbessert.

Fallstudie im Fokus:

Ein Überwachungs- und Diagnosemodell, das an Solaranlagen in Rumänien und Griechenland getestet wurde, hat gezeigt, welche Möglichkeiten Big Data bietet. Das System konnte Ausfälle von Hochfrequenz-Wechselrichtern mit einer Sensitivität von bis zu 95 % und einer Genauigkeit von fast 80 % erfolgreich vorhersagen, und zwar sieben Tage vor dem prognostizierten Ereignis. Zusätzlich zur Vorhersage von Ausfällen lieferte das getestete Modell auch prompte Benachrichtigungen über die unvorhersehbaren Fehlfunktionen.

Fazit

Die nachhaltige Energie ist ein Bereich, der sich schnell entwickelt und auf die neuesten Technologien angewiesen ist, um seine Marktposition zu stärken. Die Smart-Grid-Technologie, die ihre Wirksamkeit bereits in zahlreichen Fällen für brennstoffbasierte Energienetze bewiesen hat, ist in der Lage, die Entwicklung der erneuerbaren Energien zu unterstützen. Ein intelligentes Stromnetz, das eine enge Interaktion zwischen Energieversorgern und Verbrauchern ermöglicht, trägt zu einem nahtlosen Übergang zu grüner Energie, nachhaltigem Verbrauch und einem saubereren Planeten bei.

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